專利名稱：電光裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于改變集成光波導(dǎo)內(nèi)電荷載流子密度的電光裝置。這種裝置可以用作衰減器或用在利用由電荷載流子產(chǎn)生的折射率變化的用途，例如作為Mach-Zehnder干涉儀內(nèi)的調(diào)相器。
本發(fā)明的目的在于改進(jìn)這類裝置。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種電光裝置，該裝置包括一個(gè)基底和一個(gè)橫過(guò)基底延伸的集成光波導(dǎo)，至少波導(dǎo)的一部分是彎曲的，提供了兩個(gè)摻雜部位，以便可以施加橫穿摻雜部位的電信號(hào)，以改變波導(dǎo)彎曲部分中的電荷載流子密度。
本發(fā)明的第二方面使得可以在波導(dǎo)彎曲部分中形成二極管，它可以和本發(fā)明的第一方面結(jié)合使用。
下面參考附圖僅通過(guò)實(shí)例進(jìn)一步描述本發(fā)明，其中

圖1是在絕緣硅片(SOI)芯片上形成的已知形式的棱紋波導(dǎo)管的透視圖；圖2是穿過(guò)如圖1中所示波導(dǎo)的橫截面圖，其中通過(guò)在波導(dǎo)的相對(duì)側(cè)提供p和n型摻雜部位形成橫穿波導(dǎo)的橫向p-i-n二極管；
圖3是橫穿這種波導(dǎo)形成的另一種形式p-i-n二極管的橫截面圖；圖4是棱紋波導(dǎo)管的平面圖，其中根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例在該棱紋波導(dǎo)管的相對(duì)側(cè)上提供了摻雜部位以形成衰減器；圖5是供圖4所示裝置用的電觸點(diǎn)的平面圖；圖6是包括兩個(gè)波導(dǎo)的衰減器的平面圖，其中如圖4所示每個(gè)波導(dǎo)中分別形成了一個(gè)裝置；圖7、8、9和10是用于解釋本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)的各種類型裝置的性能曲線圖；圖11是與圖4類似但形成的彎曲波導(dǎo)上的裝置的平面圖；圖12是彎曲棱紋波導(dǎo)管的示意橫截面圖，其示出了光模如何從中心向彎曲部分外側(cè)偏移。
如圖2中所示，通過(guò)在波導(dǎo)的一側(cè)附近提供p型摻雜部位8和在波導(dǎo)另一側(cè)附近提供n型摻雜部位，可形成橫穿棱紋波導(dǎo)管1的p-i-n二極管。部位8和9可通過(guò)在溝槽5和6的底面摻雜形成。在一個(gè)替代布置方案(未示出)中，p型摻雜部位可形成在棱7的一個(gè)側(cè)面上，n型摻雜部位9形成在棱7的另一個(gè)側(cè)面上。在另一個(gè)布置方案中，一個(gè)摻雜部位可位于棱7的頂面或側(cè)面上，另一個(gè)摻雜部位位于波導(dǎo)一側(cè)或兩側(cè)附近。這種布置方案的實(shí)例展示在GB2333851A中。在圖2中，光模0用虛線示出。
圖2還示出了在棱7上方形成的氧化層10和電觸點(diǎn)11和12，例如敷金屬，所述電觸點(diǎn)用于施加橫穿這樣形成的p-i-n二極管的電壓。
圖3示出了裝置的一種替代形式，其中棱7每側(cè)上的硅層被蝕刻到氧化層4。這樣在硅剩余部分的側(cè)面上形成了n和p型摻雜部位8A和9A。再次示出了電觸點(diǎn)11A和12A。
在如上所述的已知裝置中，摻雜部位沿波導(dǎo)長(zhǎng)度延伸足夠提供所需效果的距離。例如，在衰減器中，摻雜部位通常沿波導(dǎo)延伸10毫米距離。
但是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，以沿波導(dǎo)長(zhǎng)度彼此間隔開(kāi)的許多摻雜區(qū)域的形式形成每個(gè)摻雜部位，可以改善這種裝置的性能。這是基于這樣的認(rèn)識(shí)，即盡管由于電流升高，注入到波導(dǎo)內(nèi)的電荷載流子數(shù)量增加，所以由于存在電荷載流子而發(fā)生的衰減或折射率變化也因此增大，但是由于數(shù)量增加導(dǎo)致電荷載流子的分散程度也擴(kuò)大，所以增大率開(kāi)始下降。
圖4是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的平面圖，它示出了棱紋波導(dǎo)管1的基本平直的部分，該部分每個(gè)側(cè)面上的摻雜部分分成四個(gè)獨(dú)立的區(qū)域，14A，14B，14C和14D位于波導(dǎo)一側(cè)，15A，15B，15C和15D位于波導(dǎo)1另一側(cè)。一側(cè)上的摻雜區(qū)域可以全是p型摻雜的，另一側(cè)上的摻雜區(qū)域可以全是n型摻雜的，但由于下面將描述的原因，最好它們是交替的，這樣例如區(qū)域14B，14D，15A和15C是p型摻雜的，而區(qū)域14A，14C，15B和15D是n型摻雜的。
圖7示出了相對(duì)施加到p-i-n二極管上的電流的載流子感應(yīng)損失，即衰減，該裝置總長(zhǎng)10毫米，曲線C1是包括單對(duì)摻雜區(qū)域(每個(gè)10毫米長(zhǎng))的情況，曲線C2是裝置包括兩對(duì)摻雜區(qū)域(每個(gè)約5毫米長(zhǎng))的情況，曲線C3是裝置包括三對(duì)摻雜區(qū)域(每個(gè)約3.3毫米長(zhǎng))的情況。這些曲線中的每一個(gè)表明，隨著電流增加損失增加，但按照單位電流產(chǎn)生的衰減增加，裝置在較低電流(這里曲線斜率更大)時(shí)效率更高。這些曲線還表明，隨著摻雜區(qū)域?qū)Φ臄?shù)量從一增加到二和從二增加到三，裝置變得效率更高。這是由于隨著對(duì)的數(shù)量增加，摻雜區(qū)域間的電流電平更低。通常，在約225毫瓦(mW)已經(jīng)獲得20分貝的功率有效衰減特性。
圖8示出了類似的相對(duì)所施加功率的載流子感應(yīng)損失曲線。除了裝置間差別不太明顯外，其它結(jié)果類似。
圖9和10示出了對(duì)應(yīng)具有三、四、五和六對(duì)摻雜部位的裝置的曲線C3，C4，C5和C6，其中相鄰區(qū)域間的間隔為300微米，還示出了具有間隔為400微米的五對(duì)摻雜部位裝置的曲線(C5’)和具有間隔為500微米的六對(duì)摻雜部位裝置的曲線(C6’)。這些曲線表明，隨著成對(duì)部位的增加，衰減器的效率增加。但是，由于摻雜區(qū)域間的間隔數(shù)量增加導(dǎo)致?lián)诫s區(qū)域總長(zhǎng)減少，所以隨著部位數(shù)量增加，每附加對(duì)的效率增加變少。
相鄰摻雜區(qū)域間的間隔不能太小，否則相鄰區(qū)域間電流泄漏，這樣它們的作用更象單個(gè)區(qū)域(和現(xiàn)有技術(shù)一樣)。但如果間隔太大，則使用較多數(shù)量摻雜區(qū)域的優(yōu)點(diǎn)就會(huì)被摻雜區(qū)域總數(shù)的減少所造成的影響超過(guò)。
沿波導(dǎo)長(zhǎng)度提供的獨(dú)立摻雜區(qū)域數(shù)量由用途確定，裝置可包括兩個(gè)、三個(gè)、四個(gè)、五個(gè)、六個(gè)或更多個(gè)這樣的區(qū)域。
摻雜區(qū)域的最佳數(shù)量和其間的最佳間隔取決于裝置的尺寸和形式，但對(duì)于總長(zhǎng)約為10毫米的衰減器，如圖4中所示，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)區(qū)域的最佳數(shù)量是四，相鄰區(qū)域間的最佳間隔在250到300微米范圍內(nèi)。這樣，四個(gè)區(qū)域中的每一個(gè)具有約2.5毫米的長(zhǎng)度。
對(duì)于其它長(zhǎng)度的裝置，例如總長(zhǎng)為20毫米，可通過(guò)進(jìn)行試驗(yàn)產(chǎn)生與圖7到10的曲線所對(duì)應(yīng)的曲線來(lái)確定區(qū)域的最佳數(shù)量。但是，每個(gè)區(qū)域長(zhǎng)度最好至少為1毫米，并且最好不要超過(guò)10毫米。
理論上，一定長(zhǎng)度衰減器所分割成的二極管部分?jǐn)?shù)量對(duì)整體功耗應(yīng)該沒(méi)有任何影響。將有效長(zhǎng)度分割成兩部分將使二極管部分長(zhǎng)度減半，從而使獲得一定電流密度所需的電流減半。但是，二極管數(shù)量加倍會(huì)使整體驅(qū)動(dòng)電壓加倍，這樣電流-電壓乘積應(yīng)該保持不變。在這種理想情況下，選擇所用二極管數(shù)量?jī)H僅是決定以高電壓或高電流操作裝置的問(wèn)題。
但在實(shí)際的裝置中，功率效率可以是二極管部分?jǐn)?shù)量的函數(shù)。例如，已知的是電流不是被很好地限制的并且二極管部分間的沿雜散通路(即與波導(dǎo)不重疊的通路)的電流泄漏可能損害功率效率。在這種情況下，沿波導(dǎo)方向的二極管部分間隔變得重要了。間隔的尺寸最終由可用芯片長(zhǎng)度限制，因此二極管部分的數(shù)量也由可用芯片長(zhǎng)度限制，所以如果必須保持一定的有效長(zhǎng)度，則二極管部分?jǐn)?shù)量也受限。作為另外一種選擇，大量二極管部分可能有助于改善波導(dǎo)上電流分布的均勻性。如果p-i-n二極管的縱向摻雜剖面不均勻，則會(huì)存在電流變細(xì)的趨勢(shì)，即沿窄通路集中，從而減少了電荷載流子與波導(dǎo)內(nèi)光模的有效相互作用長(zhǎng)度。由于電流通道被有效縮小，所以將有效長(zhǎng)度分割成許多二極管部分減少了發(fā)生這種情況的可能性。在選擇二極管部分?jǐn)?shù)量時(shí)要考慮的另一點(diǎn)是偶數(shù)個(gè)部分是優(yōu)選的，因?yàn)槿魏味O管非均勻性都要通過(guò)在橫穿波導(dǎo)的兩個(gè)橫向上傳送相同的總電流來(lái)補(bǔ)償。已知的是對(duì)于波導(dǎo)內(nèi)的自由載流子密度小的橫向梯度(在正極附近稍大)。這被認(rèn)為對(duì)裝置操作具有負(fù)面影響，但由于它的存在是已知的，所以保守的設(shè)計(jì)方法規(guī)定了偶數(shù)的二極管部分。
在2000年8月11日提交的共同申請(qǐng)no.GB0019772.3中給出了另一種使用偶數(shù)個(gè)二極管的細(xì)節(jié)，該申請(qǐng)涉及用于控制第一和第二波導(dǎo)通道之間相移的電光裝置。
圖7-10涉及載流子感應(yīng)損失，或衰減，但對(duì)于折射率變化也預(yù)期會(huì)有類似的曲線，因?yàn)樗餐瑯尤Q于波導(dǎo)內(nèi)電荷載流子數(shù)量或密度。
如上所述，如圖4中所示，波導(dǎo)每側(cè)上的摻雜區(qū)域最好在p和n型摻雜區(qū)域之間交替，并且橫穿波導(dǎo)彼此相對(duì)的摻雜區(qū)域最好是相反類型的。通過(guò)這種布置方式，可在裝置一端的p型摻雜區(qū)域15A和裝置另一端的n型摻雜區(qū)域15D之間提供要施加給裝置的電信號(hào)，如圖5中所示，在中間的摻雜區(qū)域電連接，以在這些雙區(qū)域之間提供電通路。這樣，摻雜區(qū)域15A可以連接在正極，摻雜區(qū)域15D連接在負(fù)極，摻雜區(qū)域14A與14B電連接，區(qū)域15B與15C連接，區(qū)域14C與14D連接。這可以通過(guò)如圖5中所示布置的導(dǎo)體16的圖樣實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)體16的圖樣可用例如用鋁、金或鈦/鎢/金合金做的敷金屬層形成。這樣由摻雜區(qū)域形成的許多二極管串聯(lián)起來(lái)。
圖6示出了包括兩個(gè)波導(dǎo)1A，1B的衰減器，其中每個(gè)波導(dǎo)備有上述類型的裝置。波導(dǎo)1A，1B橫過(guò)芯片延伸，并在其端部備有加寬部分1C以易于與光纖(未示出)的光耦合。這些加寬部分可以包括如WO98/35250中所述的漸縮波導(dǎo)。在波導(dǎo)1A，1B之間最好提供絕緣裝置17以使它們相互電隔離和光隔離。在同一芯片上可以提供帶類似衰減器裝置的其它波導(dǎo)(未示出)。
如上所述，裝置還可用于利用由波導(dǎo)內(nèi)電荷載流子產(chǎn)生的折射率變化的用途。例如，已知在調(diào)相器，Mach-Zehnder干涉儀，耦合器和多路轉(zhuǎn)接器中使用p-i-n二極管。與傳統(tǒng)裝置相比，在這類應(yīng)用中使用包括沿波導(dǎo)長(zhǎng)度彼此間隔開(kāi)的許多摻雜區(qū)域的摻雜部位提高了單位施加電流的折射率變化。效率的增加可以較小，但當(dāng)在芯片是提供多個(gè)裝置時(shí)(在一個(gè)芯片上某些裝置可能例如包括40或更多個(gè)Mach-Zehnder干涉儀)，性能的改善變得更明顯。
如圖11中所示，裝置還可使用在彎曲的波導(dǎo)上。除使用了彎曲波導(dǎo)1A外(并且所示實(shí)例僅包括三個(gè)二極管)，圖11所示裝置與圖4所示裝置類似，并且類似的考慮也適用該實(shí)施例。這種裝置可包括一個(gè)或多個(gè)彎曲的波導(dǎo)部分。圖11示出了按交替方向彎曲的連續(xù)三個(gè)彎曲部分。
使用彎曲波導(dǎo)的一個(gè)額外優(yōu)點(diǎn)是由自由電荷載流子產(chǎn)生的光衰減稍微取決于波長(zhǎng)，即較長(zhǎng)的波長(zhǎng)比較短的波長(zhǎng)衰減得更多。
自由電荷載流子在波導(dǎo)上的集中度并不均勻，在最接近p型摻雜部位側(cè)最高，因此如果光?？蓮闹行囊崎_(kāi)，即更靠近波導(dǎo)的p型摻雜部位側(cè)，就會(huì)使光模和自由電荷載流子之間的相互作用更強(qiáng)。如圖12所示，當(dāng)光模隨著模0從中心向彎曲部分外側(cè)移動(dòng)而沿彎曲波導(dǎo)移動(dòng)時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種情況。而且，這種效應(yīng)還取決于波長(zhǎng)，即與較短波長(zhǎng)比，較長(zhǎng)波長(zhǎng)從中心偏移更多。因此，如果裝置布置為較大的電荷載流子集中度位于彎曲部分的內(nèi)側(cè)，即p型摻雜部位靠近彎曲部分的內(nèi)側(cè)，則與較短波長(zhǎng)相比，更多在彎曲部分外側(cè)上傳播的較長(zhǎng)光波長(zhǎng)與較低集中度的自由電荷載流子相互作用，從而抵消了不同波長(zhǎng)的衰減對(duì)波長(zhǎng)的依賴。因此，通過(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)的裝置，可以使不同波長(zhǎng)的更均勻和對(duì)波長(zhǎng)依賴更小。
為提供必要的補(bǔ)償以實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)基本均勻的衰減，可能需要使光環(huán)繞一個(gè)以上的彎曲部分傳播。圖11中所示裝置包括按交替方向彎曲的連續(xù)三個(gè)彎曲部分。如果使用兩個(gè)或更多彎曲部分，則提供具有交替極性的橫穿每個(gè)彎曲部分的二極管無(wú)疑是適當(dāng)?shù)?，如圖11所示，這樣p型摻雜部位始終位于彎曲部分的外側(cè)。因此，帶有多個(gè)沿波導(dǎo)長(zhǎng)度極性交替的間隔開(kāi)的摻雜區(qū)域的上述類型裝置特別適合這種布置。
在一個(gè)替代布置方式(未示出)中，橫穿每個(gè)彎曲部分(不管是一個(gè)或多個(gè)彎曲部分)形成的二極管可包括許多沿彎曲部分長(zhǎng)度間隔開(kāi)的摻雜區(qū)域以增加衰減器效率(如上所述)，盡管在這種情況下彎曲部分一側(cè)的所有摻雜區(qū)域是相同類型的(即p型位于部分內(nèi)側(cè)，n型位于彎曲部分外側(cè))，而不是形成為極性交替的二極管。
由自由電荷載流子產(chǎn)生的折射率變化與取決于波長(zhǎng)，即對(duì)于較長(zhǎng)波長(zhǎng)折射率變化更大。因此，可以類似方式使用橫穿彎曲形成的二極管以減少利用折射率變化的裝置對(duì)波長(zhǎng)的依賴性，例如調(diào)相器，Mach-Zehnder干涉儀，等等。
盡管上述實(shí)例使用了絕緣硅片芯片中的棱紋波導(dǎo)管，但應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，類似的布置方式可與其它類型的波導(dǎo)和其它類型的芯片一起使用。
上述實(shí)例涉及形成橫穿波導(dǎo)的p-i-n二極管，但應(yīng)該理解，裝置可用包括位于波導(dǎo)任一側(cè)上的摻雜區(qū)域的其它部件形成。
權(quán)利要求
1.包括一個(gè)基底和一個(gè)橫過(guò)基底延伸的集成光波導(dǎo)的電光裝置，提供了兩個(gè)摻雜部位，使得可施加橫穿摻雜部位的電信號(hào)以改變波導(dǎo)內(nèi)電荷載流子密度，摻雜部位分別包括許多個(gè)沿波導(dǎo)長(zhǎng)度彼此間隔開(kāi)的摻雜區(qū)域。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的電光裝置，其特征在于，相鄰摻雜區(qū)域間的間隔在250到300微米范圍內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2中所述的電光裝置，其特征在于，每個(gè)摻雜區(qū)域沿波導(dǎo)方向的長(zhǎng)度至少為1毫米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1，2或3中所述的電光裝置，其特征在于，每個(gè)摻雜區(qū)域沿波導(dǎo)方向的長(zhǎng)度為10毫米或更少。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電光裝置，其特征在于，摻雜部位分別包括至少四個(gè)沿波導(dǎo)長(zhǎng)度方向彼此間隔開(kāi)的摻雜區(qū)域。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電光裝置，其特征在于，摻雜區(qū)域形成橫穿波導(dǎo)的p-i-n二極管。
7.根據(jù)權(quán)利要求6中所述的電光裝置，其特征在于，二極管區(qū)域是這樣布置的，即p型摻雜區(qū)域和n型摻雜區(qū)域的順序沿波導(dǎo)長(zhǎng)度是交替的。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電光裝置，其特征在于，波導(dǎo)是由硅形成的。
9.根據(jù)權(quán)利要求8中所述的電光裝置，其特征在于，波導(dǎo)是硅棱紋波導(dǎo)管。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電光裝置，其特征在于，在波導(dǎo)的相對(duì)側(cè)提供了兩個(gè)摻雜部位。
11.根據(jù)權(quán)利要求9和10中所述的電光裝置，其特征在于，在靠近棱紋波導(dǎo)管的硅區(qū)域提供了摻雜部位。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電光裝置，其特征在于，波導(dǎo)具有基本平直的部分，并且摻雜部位布置為在所述基本平直的波導(dǎo)部分內(nèi)，電荷載流子密度可以改變。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電光裝置，其特征在于，摻雜區(qū)域電連接，這樣由此形成的多個(gè)二極管串聯(lián)。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電光裝置，其特征在于，通過(guò)敷金屬提供與摻雜區(qū)域和/或摻雜區(qū)域間的電連接。
15.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電光裝置形成可調(diào)整的衰減器。
16.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電光裝置形成調(diào)相器。
17.包括一個(gè)基底和一個(gè)橫過(guò)基底延伸的集成光波導(dǎo)的電光裝置，至少波導(dǎo)的一部分是彎曲的，提供了兩個(gè)摻雜部位，使得可施加橫穿摻雜部位的電信號(hào)以改變波導(dǎo)彎曲部分內(nèi)的電荷載流子密度。
18.根據(jù)權(quán)利要求17中所述的電光裝置，其特征在于，摻雜部位分別包括許多沿波導(dǎo)長(zhǎng)度彼此間隔開(kāi)的摻雜區(qū)域。
19.根據(jù)權(quán)利要求17或18中所述的電光裝置，其特征在于，在波導(dǎo)彎曲部分外側(cè)附近提供了n型摻雜部位，在彎曲部分內(nèi)側(cè)附近提供了p型摻雜部位。
20.根據(jù)權(quán)利要求19中所述的電光裝置，其特征在于，波導(dǎo)包括連續(xù)的按交替方向彎曲的兩個(gè)或多個(gè)彎曲部分，每個(gè)部分具有位于彎曲部分外側(cè)附近的n型摻雜部位和位于內(nèi)側(cè)的p型摻雜部位，以沿波導(dǎo)長(zhǎng)度形成許多極性交替的二極管。
21.基本如上所述并參考附圖的電光裝置。
全文摘要
電光裝置，包括基底(2，3，4)和橫過(guò)基底(2，3，4)延伸的集成光波導(dǎo)(1)，提供了兩個(gè)摻雜部位(14，15)，以便可以施加橫穿摻雜部位(14，15)的電信號(hào)，以改變波導(dǎo)(1)內(nèi)的電荷載流子密度，摻雜部位(14，15)分別包括許多沿波導(dǎo)(1)長(zhǎng)度彼此間隔開(kāi)的摻雜區(qū)域(14A，14B，14C，14D；15A，15B，15C，15D)，以通過(guò)減少摻雜部位的每一對(duì)(14A，15A等)之間的電流電平來(lái)改善裝置的性能。
文檔編號(hào)G02F1/01GK1446324SQ0181402
公開(kāi)日2003年10月1日 申請(qǐng)日期2001年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2000年8月11日
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